Method Article
الجدوى الخلوية تعتمد على إدارة الوقت المناسب والفعال للmisfolding البروتين. نحن هنا وصف طريقة لتصور مصائر مختلفة المحتملة للبروتين تتجمع: طوي ثانية، وتدهور، أو عزل في الادراج. نحن لشرح استخدام جهاز استشعار للطي، Ubc9 TS، لرصد وتجميع proteostasis مراقبة الجودة في الخلايا الحية باستخدام المجهر 4D.
One of the key tasks of any living cell is maintaining the proper folding of newly synthesized proteins in the face of ever-changing environmental conditions and an intracellular environment that is tightly packed, sticky, and hazardous to protein stability1. The ability to dynamically balance protein production, folding and degradation demands highly-specialized quality control machinery, whose absolute necessity is observed best when it malfunctions. Diseases such as ALS, Alzheimer's, Parkinson's, and certain forms of Cystic Fibrosis have a direct link to protein folding quality control components2, and therefore future therapeutic development requires a basic understanding of underlying processes. Our experimental challenge is to understand how cells integrate damage signals and mount responses that are tailored to diverse circumstances.
The primary reason why protein misfolding represents an existential threat to the cell is the propensity of incorrectly folded proteins to aggregate, thus causing a global perturbation of the crowded and delicate intracellular folding environment1. The folding health, or "proteostasis," of the cellular proteome is maintained, even under the duress of aging, stress and oxidative damage, by the coordinated action of different mechanistic units in an elaborate quality control system3,4. A specialized machinery of molecular chaperones can bind non-native polypeptides and promote their folding into the native state1, target them for degradation by the ubiquitin-proteasome system5, or direct them to protective aggregation inclusions6-9.
In eukaryotes, the cytosolic aggregation quality control load is partitioned between two compartments8-10: the juxtanuclear quality control compartment (JUNQ) and the insoluble protein deposit (IPOD) (Figure 1 - model). Proteins that are ubiquitinated by the protein folding quality control machinery are delivered to the JUNQ, where they are processed for degradation by the proteasome. Misfolded proteins that are not ubiquitinated are diverted to the IPOD, where they are actively aggregated in a protective compartment.
Up until this point, the methodological paradigm of live-cell fluorescence microscopy has largely been to label proteins and track their locations in the cell at specific time-points and usually in two dimensions. As new technologies have begun to grant experimenters unprecedented access to the submicron scale in living cells, the dynamic architecture of the cytosol has come into view as a challenging new frontier for experimental characterization. We present a method for rapidly monitoring the 3D spatial distributions of multiple fluorescently labeled proteins in the yeast cytosol over time. 3D timelapse (4D imaging) is not merely a technical challenge; rather, it also facilitates a dramatic shift in the conceptual framework used to analyze cellular structure.
We utilize a cytosolic folding sensor protein in live yeast to visualize distinct fates for misfolded proteins in cellular aggregation quality control, using rapid 4D fluorescent imaging. The temperature sensitive mutant of the Ubc9 protein10-12 (Ubc9ts) is extremely effective both as a sensor of cellular proteostasis, and a physiological model for tracking aggregation quality control. As with most ts proteins, Ubc9ts is fully folded and functional at permissive temperatures due to active cellular chaperones. Above 30 °C, or when the cell faces misfolding stress, Ubc9ts misfolds and follows the fate of a native globular protein that has been misfolded due to mutation, heat denaturation, or oxidative damage. By fusing it to GFP or other fluorophores, it can be tracked in 3D as it forms Stress Foci, or is directed to JUNQ or IPOD.
1. الخميرة الاستعدادات
2. لوحة \ الاستعدادات الشرائح
3. المجهر الاستعدادات
4. التصوير
الشكل 1. نموذج: التقسيم الفرعي الخلوية للبروتينات تتجمع الجودة آلات التحكم يوجه البروتينات تتجمع في حجرات مختلفة مع وظائف مختلفة: البروتينات القابلة للذوبان، التي تستهدف تدهور، والخضوع بولي ubiquitination ويتم إرسالها إلى xta-N جو المقصورة Q uclear تحكم uality (JUNQ ). يتم إرسال البروتينات غير قابلة للذوبان التي لا يمكن عزل لحماية ubiquitinated إلى I nsoluble العلاقات العامة eposit D otein (IPOD)، المتاخمة للفجوة، حيث أنها تخضع التجميع بالموقع.
es.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50083/50083fig2.jpg "/>
الشكل 2. النمذجة misfolding البروتين GFP-Ubc9 مع TS. في ظل الظروف العادية، يتم طي أصلا GFP-TS Ubc9 (أخضر)، ويتم ترجمة منتشرة في العصارة الخلوية للنواة و. هو المسمى النواة من TFP-NLS (الحمراء). وأغلق التعبير عن TS Ubc9 قبالة عن طريق إضافة السكر 2٪ قبل التصوير في جميع التجارب. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .
الشكل 3. الفاصل الزمني من JUNQ وتشكيل IPOD. عند درجة حرارة التحول إلى 37 ° C وتثبيط proteasome مع 80 مم MG132، تتم معالجة الإجهاد GFP-TS Ubc9 بؤر إلى JUNQ والادراج IPOD. هو المسمى النواة من TFP-NLS (الحمراء). صور تم الحصول عليها 3D على فترات دقيقة 4. (انظر أيضا الفيلم 1).com/files/ftp_upload/50083/50083fig3large.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر الرقم.
حدسنا عن العمليات البيوكيميائية مستمدة من التجارب مقاعد البدلاء في الأعلى الذي يسمح حلا جيدا مختلطة من المواد المتفاعلة والمنتجات للوصول إلى التوازن في كوب. في مثل هذا الوضع، يمكن التعبير عن تركيز على الأنواع الكيميائية على النحو الوارد رقم واحد، الذي هو نسبة كمية من جزيئات المولي إلى وحدة تخزين العيانية. معظم ما نعرفه عن بنية البروتين وظيفة تستمد من استخدام الأساليب التي تعكس الكلاسيكية، صور رد الفعل الأكبر: البقع الغربية، centrifugations، وقياسات طيفية التي أجريت على مقتطفات من الخليط السكان كاملة من الخلايا.
وبما أن التكنولوجيا التي نستخدمها للنظر في الخلايا تحت التكبير يحسن على قدم وساق، يصبح أكثر وضوحا من أي وقت مضى أن الظروف التي معظم ردود الفعل البيوكيميائية في الجسم الحي تحدث فقط تحمل أدنى تشابه لتلك السيناريو مقاعد البدلاء الأعلى الكلاسيكية. ليس فقط هو الجزء الداخلي من سللا المزدحمة بالسكان والبيئة، والآثار التي الزحام تغيير جوهري في أنشطة مختلف المواد المتفاعلة، كما أنها على العكس تماما من مختلط أيضا. وهذا يفسر التفاوت متكررة بين في المختبر والمجراة في الكفاءة من مجموعة واسعة من ردود الفعل الجزيئات المعقدة.
في اي مكان الحدس النابعة من التجارب الكلاسيكية في المختبر الكيمياء الحيوية أكثر عرضة للتضليل كما في المسائل المتعلقة لطي في الجسم الحي، misfolding، وتجميع البروتينات. في حين أن دراسات الكيمياء البروتين في التفاعلات السائبة يمكن أن علاج قضية قابلة للطي لبروتين معين كما بنعم أو لا سؤال، يجب أن أي محاولة لتتبع ديناميات السكان كاملة من الجزيئات في خلية حية حساسة للتوزيع كاملة من الممكن نتائج بتكوين المتاحة لسلسلة ببتيد، وعلى وجه الخصوص لخطر misfolding والتجميع. على سبيل المثال، فإننا قد فحص لاي الخلية الأكبرأشبع من البروتين تجميع من غرب النشاف، وتحديد أن البروتين معظمها غير قابل للذوبان وubiquitinated لا. ومع ذلك، في الخلية الحية وشبه المنفصلة السكان من البروتين، يصعب اكتشافها عندما بلغ متوسطها أكثر من العديد من الخلايا، قد تكون قابلة للذوبان وubiquitinated في مقصورة خاصة حيث تركز المحلية من الأنواع عالية جدا. قد يكون له عواقب السيناريو الأخير أكثر أهمية من أجل بقاء الخلية أكبر من معظم شبه السكان. وعلاوة على ذلك، في حين أن المحرمين عرض مجموعة متنوعة من السلوكيات عديد المظاهر وظائف في المختبر، أصبح واضحا أن في الخلية والمكان والزمان تقتصر مهامهم منفصلة.
في النموذج الناشئ حديثا لفهم الكيمياء الحيوية، وتركيز يصبح خاصية متغير كل محددة النانو البيئة في الخلية، ويجب أن يعاير الأحداث الجزيئية التي تكمن وراء العمليات البيولوجية ليس فقط في الوقت المناسب، ولكن أيضا في SPACه. النهج التصوير 4D المقدمة هنا يمكن النمذجة الحساسة من misfolding البروتين في الخلايا الحية، على الرغم من أنها يمكن أن تستخدم لدراسة أي عدد من العمليات البيولوجية الأخرى وكيف يتم تنظيمها في الفضاء، والوقت، وبعد التغييرات في الظروف البيئية. في هذه الورقة نستخدم الاستشعار TS Ubc9 للطي، والذي يدل على فعالية المراحل والخيارات للتعامل مع بداية تجميع البروتين في العصارة الخلوية. بالإضافة إلى توضيح بيولوجيا الخلية لمراقبة الجودة التجميع، يمكن هذا النهج بمثابة أداة قوية لفك رموز تأثير الاضطرابات محددة أو الطفرات الوراثية على proteostasis (على سبيل المثال يمكن أن تستخدم لقياس Ubc9 TS الإجهاد طي البروتين استجابة للأكسدة، التعبير عن الكلي السامة، أو طفرات نوعية في مسار التحكم).
4D التصوير ضروري أيضا لتحديد بدقة الترجمة البروتين أو البروتين colocalization بين اثنين من مختلفق، وللكشف عن الظواهر التي ربما تكون عابرة ولكنها مهمة. على سبيل المثال، وخاصة في الحي كروية صغيرة مثل الخميرة، فإنه قد يبدو أن القضية التي بنية أو الكلي لديه التعريب juxtanuclear، في حين 4D التصوير قد تكشف عن أن هذا هو مجرد قطعة أثرية من زاوية التفتيش.
في التجربة سبيل المثال نقدم هنا، ونحن لشرح استخدام نموذج تتجمع البروتين، Ubc9 TS، لمتابعة التجميع مراقبة الجودة عبر الزمان والمكان في العصارة الخلوية. في درجة حرارة الإباحية، يتم طي Ubc9 TS والموزعة في النواة والعصارة الخلوية. على الحرارة التي يسببها misfolding، وأنها تشكل في البداية بسرعة نشرها الإجهاد الكلي الصغيرة بؤر التي تتم معالجتها عن تدهور proteasomal. عندما يتم جزئيا proteasome إعاقة، يتم تحويل هذه البؤر إلى الإجهاد JUNQ والادراج IPOD على مدى حوالي 2 ساعة. إذا اليوبيكويتين بوساطة تدهور غير متوفرة كخيار مراقبة الجودة، UBوعلى الفور C9 TS تغيير مسارها إلى إدراج IPOD لتجميع واقية. هذه الأدوات تتيح فرصا لا تصدق لاكتشاف العوامل الوراثية رواية المشاركة في مراقبة الجودة التجميع، واستكشاف تنظيمها المكاني والزماني في الخلية.
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
MG132 | Mercury | mbs474790 | |
con A | Sigma | C2010 | |
Glass bottom plates | ibidi | ibd81158 | |
4D Fluorescence Imaging of Protein Aggregation Confocal 3D movies were acquired using a Nikon A1R-si microscope equipped with a PInano Piezo stage (MCL), using a 60x water objective NA 1.27, 0.3 micron slices, 0.5% laser power (from 65 mW 488 laser and 50 mW 561 laser). z-stacks were acquired every 5 min for 90 min. Each z-series was acquired with 0.5 micron step size and 30 total steps. Image processing was performed using NIS-Elements software. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved